《土木专业建筑学纳米材料(3)随堂讲义》由会员分享，可在线阅读，更多相关《土木专业建筑学纳米材料(3)随堂讲义（45页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、纳米材料（ 3） 第一节 纳米材料和纳米技术 简介 第二节 纳米粉体材料 第三节 纳米块体材料 一 . 块体纳米 材料的制备 二 . 块体纳米 材料的结构 三 . 块体纳米 材料的性能 块体纳米 材料 第一种 由 小至大 先制备纳米颗粒，再由原位加压、热压 等方法 制成大块纳米金属材料 一 块体纳米材料的制备 纳 米 粒 子 制 备 方 法 气相法 液相法 沉淀法 水热法 溶胶凝胶法 冷冻干燥法 喷雾法 . . 气体冷凝法 溅射法 流动液面上真空蒸度法 爆炸丝法 通电 加热蒸发法 纳 米 粒子 制备 方法分类 固相法 机械球磨 法 化学气相反应法 气相分解法 气相合成法 气固反应法 物理气相法
2、 热分解法 . . 固相反应法 第二种方法 由大变小 是将外部能量引入或作用于母体材料。使其产生相或结构转变，直接制备出块体纳米材料 纳 米 块 体 制 备 方 法 严重塑性变形 快速凝固 等通道转角挤压 叠轧 高压扭转 反复弯曲矫直 表面纳米化 . . 等通道转角挤压 挤压后样品外形不变， 很容易实现反复变形 变形量与 模 具参数有关 叠轧 是与工业应用较为靠近的一种。它制备出的材料形状与工业上轧制制备的产品相同，因而最有可能得到实际应用 高压扭转 样品一般为圆形 ,直径在10-20mm之间 , 厚度在0.2-0.5mm之间 高压扭转示意图 表面纳米化 非晶晶化 快速凝固 . . 一 . 块
3、体纳米 材料的制备 二 . 块体纳米 材料的结构 三 . 块体纳米 材料的性能 块体纳米 材料 设界面厚度为 (通常为1nm)，晶粒直径为 d，则界面所占体积分数为3 d d=1m, V界面 % = 0.3 d=100nm, V界面 % =3% d=6nm, V界面 % =50% 二 块体纳米材料的结构 纳米固体材料内部存在着 位错，空位簇，微空洞等缺陷，其密度依制备方法而异，一般来说小于或接近多晶材料的密度。 缺陷所占体积 分数 与纳米材料的 制备 工艺有关 严重塑性变形法制备纳米 Cu 脉冲电流沉积制备纳米 Cu 一 . 块体纳米 材料的制备 二 . 块体纳米 材料的结构 三 . 块体纳米
4、 材料的性能 块体纳米 材料 力学性能 y 0.002 对于无明显的屈服现象的材料，通常以发生微量的塑性变形 (0.2 )时的应力作为该钢材的屈服强度 对于屈服现象明显的材料，屈服强度就是在屈服点； 三 .块体纳米 材料的性能 210 Kdy Hall-Petch关系： 0为是移动单个位错所需的克服点阵摩擦的力； K为常数， d为晶粒尺寸 210 KdHHv20MnSiNb晶粒度与屈服强度的关系 纯铁晶粒尺寸和硬度之间关系 (a)正 Hall-Petch关系 (K 0)：对于蒸发凝聚、原位加压纳米 TiO2、用机械合金化 (高能球磨 )制备的纳米 Fe和 Nb3Sn等试样，进行维氏硬度试验，结
5、果表明，它们均服从正 Hall-Petch关系，与常规多晶试样一样遵守同样规律 (b)反 Hall- Petch关系 (K 0) ：硬度随纳米晶粒的减小而下降。例如，用蒸发凝聚原位加压制成的纳米 Pd晶体，以非晶晶化法制备的 Ni P纳米晶体 (c)正一反混合 Hall-Petch关系：纳米晶 Cu和 Ni P的实验结果，它们均服从这种混合关系 位错源 障碍 210 Kdy 如果位错被晶界阻挡，晶粒的塑性变形就无法直接传播到相邻的晶粒中去，造成塑变晶粒内位错塞积。在外力作用下，晶界上的位错塞积产生一个应力场，可以作为激活相邻晶粒内位错源开动的驱动力。 当塞积位错的应力场强度 与外应力的和 等于
6、位错开动的临界应力时，相邻晶粒内的位错源开动、滑移与增殖，造成塑 性 形变。 塞积位错应力场强度与塞积位错数目和外加切应力值有关，而塞积位错数目正比于晶粒尺寸，因此当金属材料的晶粒变细时，必须加大外加作用力以激活相邻晶粒内位错源，这就意味着，细晶粒产生塑性变形要求更高的外加作用力，也就体现了细晶粒对金属材料强化的贡献。 对纳米结构材料 反常性能 的解释，已不能依赖于传统的位错理论，它与常规多晶材料之间的差别关键在于界面占有相当大的体积分数 ，对于只有几 nm的小晶粒，由于其尺度与常规粗晶粒内部位错塞积中相邻位错间距相差不多， 在 这样小尺寸的晶粒 内 位错源也很难开动，不会有大量位错增殖问题
7、。 因此，位错塞积 不太可能 在纳米 晶 中出现， 因此， 用位错的塞积理论来解释 块体纳米 材料 中的力学行为 是不合适的， 需要 从纳米晶体材料的结构特点来寻找新的模型，建立 新 理论 (1)界面的作用 随纳米晶粒直径的减小，高密度的晶界导致晶粒取向混乱，界面能量升高。 (2)临界尺寸 Gleiter等认为：在一个给定的温度下纳米材料存在一个临界的尺寸，低于这个尺寸，界面粘滞性增强，这就引起材料的软化；高于临界尺才，材料硬化。他们把这个临界尺寸称为“等粘合晶粒尺寸” 目前，对于纳米结构材料的反常 H P关系从下面几方面进行了讨论： (3)三叉晶界 三叉晶界是三个或三个以上相邻的晶粒之间形成
8、的交叉“线” 晶粒直径对晶界，三叉晶界及晶间区体积分数的影响 迄今为止，纳米材料的力学性能尚未形成比较系统的理论，原因如下： 纳米材料的密度只能达到理论密度的90-95%，有相当数量的孔洞、甚至微裂纹存在于试样中，这些缺陷对强度和硬度有很大的影响，这很可能造成测量上的误差，给总结实验规律造成困难。 试样制备方法多种多样，由纳米粉压制烧结而成的块体材料的晶界与球磨或非晶晶化法获得的纳米材料的界面有很大的差别前者包含孔洞之类缺陷，原子配位数不全；后者界面相对比较致密，界面的原子排列更接近有序状态这很可能导致这两类不同的纳米结构材料力学性能 有差异。 超塑性 超塑性是指材料在一定的应力作用下，在一定
9、的温度 -应变速率下变形时，延伸率高达 100-1000%的现象。 温度，应变速率 通常当材料的晶粒尺寸在 10 微米时，超塑性变形的温度为 0.5-0.6Tm，应变速率为 10-4-10-3/s。 降低晶粒尺寸不仅可以降低塑性变形的温度，而且可以在较大的应变速率下实现超塑性变形 金属的超塑性 电解沉积的纳米铜 他们发现，导致纳米铜超塑延展的主要机制是大量的晶界滑移而并非点阵位错运动等 。这项研究成果发表 2000年 2月 25日出版的 SCIENCE 扩散 物质从高浓度区向低浓度区的转移 扩散类型 晶界扩散（界面扩散） 体扩散（体积扩散） 扩散性 固相烧结 固溶处理 表面渗碳，渗氮 . .
10、纳米材料中有大量的界面，这些界面为原子提供了短程扩散途径。因此与单晶材料相比，纳米材料具有高的扩散率 以抗磨为目的的气体渗氮 ， 渗氮温度一般在 480 520 之间 ,保温时间近 80小时。 以抗蚀为目的的气体渗氮，渗氮温度在 550 700 之间 ,保温 0.5 3小时 。 300 , 9h 对纯铁进行表面机械研磨处理，在十微米厚的表面层中获得纳米晶组织。然后利用气体渗氮技术在 300 保温 9小时后成功地实现了表面氮化，获得 10微米厚的氮化物层，而未经处理的纯铁在同样条件下几乎无氮化物形成。这一结果证明铁的表面氮化温度可以利用表面纳米化技术而大幅度下降。 这一成果显示出纳米技术对传统产
11、业技术的升级改造具有重要的推动作用。 纳米材料为亚稳态材料，由于纳米材料的一系列优异的性能，如超强、超硬、超塑性等都与纳米材料的晶粒大小和特殊结构有关，因此，研究纳米材料晶粒尺寸和结构热稳定性对确定其具体使用条件有重要意义。 纳米结构材料热稳定性是一个十分重要的问题，它关系到 纳米材料优越性能究竟能在什么样的温度范围内使用 。能在较宽的温度范围获得热稳定性好的 (颗粒尺寸无明显长大 )纳米结构材料 是 要解决的关键问题之一 。 块体纳米 材料的热稳定性 根据经典的晶粒长大理论，晶粒越小，表面活化能越大，晶粒长大的驱动力越大。纳米材料的晶粒度远小于普通材料，因此理论上讲其热稳定性较差。 对于单质
12、 ： 普通多晶体的再结晶温度 (约为 0.5Tm) 纳米 晶粒长大温度约在 0.2-0.4Tm之间。 纳米 Cu的晶粒长大温度约为 373K(0.28Tm)； 纳米 Fe为 473K(0.26Tm)； 纳米 Pd晶体为 523K(0.28Tm)； 纳米 Ge为 300K(超 0.25Tm)。 纳米合金材料的晶粒长大温度往往较高。通常高于 0.5Tm。 如纳米 Ni80P20合金的晶粒长大开始温度约为 620K(0.56Tm) 晶粒尺寸为 12nm的 TiO2纳米晶体的热稳定性几乎与普通多晶体相当。 对于单质纳米金属，其热稳定性较常规材料差； 对于纳米合金材料，其热稳定性和粗晶材料相差不多。目前认为，这是纳米材料中细小的第二相粒子，制备过程中引入的空位，杂质等起到了钉扎晶界，限制晶粒长大的作用。 纳米材料由于其独特的结构，从而具有不同于传统粗晶材料的性能。 力学性能 热学性能 电学性能 磁学性能 . . 存在一些解释，缺乏统一的理论
